布朗热机的热力学性能特征及其优化理论

随着系统的尺寸接近纳米或分子的量级，热涨落开始起着一个有意义的作用。如何使纳米系统（或器件）能够与热涨落协调地工作，这是人们普遍关心的问题。本项目中，我们把涨落理论、随机理论、电子输运理论、不可逆热力学理论、有限时间热力学理论应用于粒子输运所伴随的热传输过程，将理论分析和数值模拟相结合，主要研究惯性Buttiker-Landauer（BL）热机和量子布朗电子热机的热力学性能特征及其优化性能。并具体分析（1）可能的不可逆因素是什么？（2）如何拟制不可逆因素，使之能接近卡诺效率，（3）分析这些不可逆因素以及热机结构参数或外控制参数如何影响布朗热机的热力学性能特征？（4）其优化运行模式是怎样的，以及如何获得更实际的效率界限？拟在一般层面上全面理解非平衡热力学理论，寻找宏观和微观热力学理论的异同点。

随着系统的尺寸接近纳米或分子的量级，热涨落开始起着一个有意义的作用。如何使微纳米系统（或器件）能够与热涨落协调地工作，这是人们普遍关心的问题。本项目中，我们把涨落理论、随机理论、随机主方程、电子输运理论、量子热力学理论、不可逆热力学理论、有限时间热力学理论应用于微观或介观体系的热力学循环过程中，将理论分析和数值模拟相结合，主要研究了以量子点系统、布朗粒子、自由电子、q比特、自旋系统、谐振子系统、二能级和多能级量子系统等微观或介观体系为工作物质的多种不同的热力学循环过程的物理机制和性能特征。. 具体分析了（1）外磁场中量子点热机最大功率下效率、相互作用量子点制冷机、纳米量子点光电制冷机；（2）单模空腔场中二能级系统量子热机、无限深势阱或谐振子势阱中单粒子系统量子热机；（3）热纠缠量子热机或制冷机；（4）周期性双势垒锯齿势中温差驱动的布朗热机；（5）能量选择性电子热机和制冷机；等等。获得了一些新颖的结论。例如，量子热机最大功率下效率比经典热机CA效率略高；一般情况下热机功率与效率曲线为一闭合线，其效率小于卡诺效率，而在理想情况下功率与效率曲线为一开型线，效率可以达到卡诺效率。并回答了（1）可能的不可逆因素是什么；（2）如何拟制不可逆因素，使之能接近卡诺效率；（3）这些不可逆因素以及热机结构参数或外控制参数如何影响微观或介观热机的热力学性能特征；（4）其优化运行模式是怎样的，以及最大功率下效率界限。这些结果将对了解微观或介观热机热力学性能、微纳米结构热电器件的研制都有所启发并提供理论依据。